CC BY
312
УДК 502.36+502.6:622.24 Обуздина Марина Владимировна,
к. т. н., ассистент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология» Иркутского государственного университета путей сообщения,
тел.: 8-914-005-005-8, e-mail: angelika86@bk.ru Руш Елена Анатольевна, д. т. н., профессор, зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и экология» Иркутского государственного университета путей сообщения,
тел.: 8 (3952) 63-83-52, e-mail: lrush@mail.ru Асламова Вера Сергеевна,
д. т. н., профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология» ИрГУПС,
е-mail: veras@pisem.net
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА АДСОРБЕРА С НЕПОДВИЖНЫМ
СЛОЕМ АДСОРБЕНТА
M.V. Obuzdina, E.A. Rush, V.C. Aslamova
THE ALGORITHM FOR CALCULATING THE ADSORBER WITH FIXED ADSORBENT LAYER
Аннотация. Произведена автоматизация методики расчета адсорбера с неподвижным слоем адсорбента по основным технико-эксплуатационным характеристикам, позволяющая сравнивать эффективность сорбционной очистки сточных вод от нефтепродуктов.
Для автоматизации методики расчета адсорбера разработаны блок-схема алгоритма расчета и программа, реализованная в интегрированной среде Турбо Паскаль 7.0.
Ключевые слова: автоматизация, сорбция, алгоритм, цеолиты, нефтепродукты.
Abstract. The automation of methodology for calculating the adsorber with fixed adsorbent layer on basic technical and operational characteristics to compare the efficiency of the sorption purification of waste water from oil products is conducted.
The chart of calculation algorithm and the program designed in integrated environment Turbo Pascal 7.0 are developed for automatization of methodology for calculating the adsorber.
Keywords: automatization, sorption, algorithm, zeolits, oil products.
Химическая, нефтехимическая, нефтеперерабатывающая отрасли промышленности и железнодорожный транспорт являются основными загрязнителями поверхностных водных объектов нефтью и нефтепродуктами [1].
Показатели качества производственных сточных вод, отводимых от локомотивных и вагонных депо, имеют, в среднем, следующие значения: температура 10-12 °С; pH - 7-9; концентрация нефтепродуктов - до 500 мг/л; концентрация взвешенных веществ - до 400 мг/л; БПКполн -
50 мг О2/л; ХПК - 100 мг О2/л; концентрация ПАВ - 1 мг/л. Концентрация нефтепродуктов в сточных водах ряда локомотивных хозяйств ВосточноСибирской железной дороги (ВСЖД - филиала ОАО «Российские железные дороги») колеблется в пределах от 25 до 350 мг/л.
Стоки подобного качества могут представлять собой достаточно серьезную опасность для окружающей среды, вследствие чего, перед сбросом в системы городской канализации или природный водный объект, их необходимо подвергать соответствующей очистке до требуемых санитарных норм [2, 3].
Отличительной особенностью производственных сточных вод предприятий железнодорожного транспорта является наличие в них эмульгированных нефтепродуктов. Образование эмульсии происходит во время обмывки деталей в моечных машинах при повышенной температуре, сильном механическом перемешивании с водой в присутствии поверхностно-активных веществ и щелочей. Обычно нефтепродукты в виде эмульсии содержатся в сточных водах в количестве 5-20 мг/л. В таком виде они могут находиться в воде длительное время, не укрупняясь и не всплывая [4].
Нами рассмотрено предприятие железнодорожного транспорта - локомотивное депо ст. Иркутск-Сортировочный. Локальные очистные сооружения (ЛОС) ТЧ-15 в составе: нефтеловушка, флотаторы, механические фильтры с загрузкой из кварцевого песка, фильтры доочистки с загрузкой из активированного угля - были запущены в эксплуатацию в 1978 г. Проектная мощность очистных сооружений составляет 300 м3/сут. Фактиче-
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
ская нагрузка на очистные сооружения -168,2 м3/сут.
Основными загрязнителями сточных вод локомотивного депо являются нефтепродукты (дизельное топливо; мазут Н-20; отработанные моторные масла), железо общее, взвешенные вещества. Концентрация нефтепродуктов в поступающих на очистку стоках колеблется в значительных пределах от 50 мг/г до 250 мг/л.
При анализе режимов эксплуатации установок, входящих в технологическую схему очистки сточных вод предприятия ТЧ-15, были выявлены следующие недостатки:
1. Эффект флотационной очистки стоков от нефтепродуктов был недостаточно высоким вследствие низкого газонасыщения (3-4 %) водо-воздушной смесью, поступающей в камеры флотатора из гидропневмобака (сатуратора). Увеличение до 5 % относительного объема воздуха, поступающего в эжектор, приводило к срыву нормального режима работы рециркуляционного насоса.
2. Фильтр с загрузкой из кварцевого песка недостаточно эффективно удерживал взвешенные вещества, что приводило к их проскоку в фильтры с активированным углем и снижало их сорбцион-ную емкость.
3. При регенерации сорбционных фильтров имел место вынос активированного угля вместе с отработанным паром и горячей водой (до 0,010,012 м3 с одного фильтра при каждой регенерации).
Очищенные потоки сточных вод по существующей схеме направляются в системы городской канализации и, частично, в оборотную систему для использования воды на технические нужды. Как указывалось выше, основным загрязнителем сточных вод являются нефтепродукты. Концентрация нефтепродуктов после процессов адсорбции на активированном угле составляет 6,6 мг/л, что значительно превышает нормативный показатель сброса в ГК - 0,6 мг/л.
Таким образом, действующая технологическая схема очистки не позволяет достичь требуемых нормативов качества очищенных вод, что и предопределило необходимость реконструкции узла доочистки за счет использования адсорбера с новым типом загрузки.
В качестве новой загрузки нами предложено использовать цеолиты клиноптилолитового типа Холинского месторождения, модифицированные ТЭОС - тетраэтоксисиланом (С2H5O)4Si. Цеолиты, модифицированные ТЭОС, обладают хорошей адсорбционной способностью и не уступают активированному углю. Однако модификация цеолита
ТЭОС позволяет гидрофобизировать его поверхность, тем самым увеличивая его адсорбционную способность по отношению к нефтепродуктам.
Для обоснования возможности повышения эффективности работы комплекса очистных сооружений необходимо сравнить технико-эксплуатационные характеристики адсорбционных установок периодического действия с неподвижным слоем адсорбента. В качестве адсорбентов рассмотрены активированный уголь марки БАУ, уже используемый на предприятиях железнодорожного транспорта, имеющих сточные воды с высоким содержанием нефтепродуктов, и природный цеолит Холинского месторождения, модифицированный тетраэтоксисиланом (С2Н50)481, предлагаемый взамен существующей загрузки.
Методика расчета адсорбера выполнялась согласно работам Ю.И. Дытнерского, Н.И. Гель-перина [5, 6]. Число адсорберов в установке принимается равным двум. В одном из аппаратов происходит стадия адсорбции, в то время как в другом протекают стадии регенерации сорбента.
Для расчета массообменных аппаратов с неподвижным слоем сорбента необходимо определять профили концентраций (зависимости концентрации с от высоты адсорбера г и безразмерной концентрации X от высоты адсорбера г при данном времени адсорбции т) и выходные кривые (зависимости с от г при данном г). В общем случае их определение требует численного решения системы, состоящей из уравнения материального баланса, уравнения изотермы адсорбции и уравнений, описывающих скорость массопереноса.
Допущение о бесконечно большой скорости массопереноса эквивалентно предположению о равновесии между фазами во всех точках аппарата. Для адсорбции в случае выпуклой равновесной линии уравнение материального баланса имеет вид:
с = с-(Х„), X = Хн при г > г1, с = сн, X = Х(сн) при г > г1, (1)
где параметр определеяется по формуле:
2 =_»'■Фя-С'(1д)]__(2)
1 £[Сн-с\Хн) + РпаХХ\Сн)-Хн]
где СН - начальная концентрация нефтепродуктов мг/л; Х(СН) - концентрация нефтепродуктов в цеолите; ^ - скорость жидкости в адсорбере; т -время адсорбции, с; е - порозность сферических частиц; р„ах - насыпная плотность, кг/м3;
Так как с*(Хн) = 0, то
,1=-----(3)
есн+Р„а*-х (СН)
В области г1 < г концентрации фаз определяются соотношениями:
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
z(s + р
' и
dX* dc
■) = wr; Х = Х'(с) . (4)
Изотерма адсорбции нефтепродуктов цеолитом, модифицированным ТЭОС, описывается регрессионным уравнением:
А ТЭОС = 0,0209 + С 1,0163 + t 0,0273, (5) где С - концентрация нефтепродуктов в исходном модельной системе, мг/л; t - время адсорбции, с.
Критерии статистической значимости для уравнения (5): коэффициент детерминации R2 = 99,92 %; скорректированный коэффициент детерминации Я2с = 99,90 %; критерий Дарбина-Уотсона DW = 3,13; среднеквадратическая ошибка о2 = 0,033; средняя абсолютная ошибка А = 0,021 мг/г.
Для автоматизации методики расчета адсорбера разработаны блок-схема алгоритма расчета и программа, реализованная в интегрированной среде Турбо Паскаль 7.0.
Блок-схема алгоритма приведена на рис. 1. Рассчитанные значения сохраняются в текстовом файле с логическим именем f
Расчет адсорбера производился для трех вариантов объема сточных вод: V1 = 168 м3/сутки -фактическая нагрузка; V2 = 234 м3/сутки - усредненная нагрузка; V3 = 300 м3/сутки - максимально возможная нагрузка на очистные сооружения.
При расчете безразмерных концентраций С/СН и X/X(CH) по уравнениям Томаса интеграл вероятностей определялся методом Симпсона.
При проверке материального баланса интегралы вычислялись методом правых прямоугольников. Результаты расчетов представлены в табл. 1.
Проверка сходимости материального баланса по нефтепродуктам стадии адсорбции выражается неравенством:
Ml - (M2+M3+ M4) < 10-3 , (6)
где М1 - количества нефтепродуктов, поступивших в адсорбер; М2 - количество нефтепродуктов, поглощенных сорбентом; М3 - количество нефтепродуктов, уходящих из адсорбера вместе с жидкой фазой; М4 - количество нефтепродуктов, остающихся в зернистом слое.
Количество нефтепродуктов, поступивших в адсорбер:
Ml=wrc-C.H-tad-Sc , (7)
где wra - рабочая скорость жидкости в адсорбере; tad - время адсорбции; Sc - площадь поверхности адсорбера.
Количество нефтепродуктов, поглощенных сорбентом:
M2=IZ-pnasc-Sc, (8)
где IZ - интеграл по профилю концентраций нефтепродуктов в адсорбенте.
Количество нефтепродуктов, уходящих из адсорбера вместе с жидкой фазой:
M3=WK-Sc-CH-IS, (9)
где IS - интеграл, вычисленный по выходной кривой адсорбции.
Количество нефтепродуктов, остающихся
Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета адсорбера
Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
в зернистом слое:
М^ФЛ -Ж -Л; ^:;, . (Ю)
где еpsс - порозность сферических частиц.
Как видно из табл. 1, коэффициенты внешней массоотдачи у цеолита, модифицированного ТЭОС, существенно выше, чем коэффициенты внутренней массоотдачи, что свидетельствует о том, что в процессе сорбционной очистки работает внешняя поверхность сорбента. Однако значениями коэффициентов внутренней массоотдачи нельзя пренебречь, так как они необходимы для дальнейших расчетов. По некоторым показателям, активированный уголь марки БАУ обладает лучшими характеристиками, чем цеолит, модифицированный ТЭОС, однако важной составляющей сорбционного процесса является преодоление гидравлического сопротивления слоя загрузки, и чем оно меньше, тем меньше необходимо энергетических и, как следствие, экономических затрат
на осуществление процесса. Гидравлическое сопротивление загрузки из цеолита, модифицированного ТЭОС, в 27 раз меньше, чем для активи-ронного угля, что увеличивает адсорбционную способность слоя и помогает достичь установленных нормативов качества сточных вод по содержанию нефтепродуктов.
Результаты экспериментальных исследований и расчет адсорбера по программе в интегрированной среде Турбо Паскаль 7.0 доказали эффективность извлечения нефтепродуктов из модельных систем, близких по составу к промышленным сточным водам предприятий железнодорожного транспорта, по сравнению с существующей загрузкой из активированного угля марки БАУ.
Для проверки адекватности расчетов были проведены экспериментальные исследования на рассматриваемом предприятии железнодорожного
Т а б л и ц а 1
Результаты расчетов адсорберов с загрузкой из активированного угля
Расход сточных вод
168 м3/сутки 234 м3 /сутки 300 м3/сутки
Характеристика активированный цеолит, мо-дифициро- активированный цеолит, модифици- активированный цеолит, модифи-
уголь марки БАУ ванный ТЭОС уголь марки БАУ рованный ТЭОС уголь марки БАУ цирован-ный ТЭОС
Насыпная плотность, кг/м3 550 770 550 770 550 770
Эквивалентный диаметр 0,5 2,0 0,5 2,0 0,5 2,0
гранулы, мм
Удельная поверхность, м2/г 750 800 750 800 750 800
Эквивалентный диаметр 14,5 9,7 14,5 9,7 14,5 9,7
частицы, нм
Рабочая скорость, м/с 0,00989 0,00989 0,00114 0,00114 0,00123 0,00123
Диаметр адсорбера, м 0,5 0,5 0,55 0,55 0,6 0,6
Порозность сферических частиц, м3/м3 0,37534 0,37636 0,37531 0,37624 0,37528 0,37613
Гидравлическое 62097 2238 83492 3039 96641 35754
сопротивление, Па
Высота слоя адсорбента, м 1,3 1,3 1,5 1,5 1,6 1,6
Критерий Рейнольдса 4,59 18,38 5,29 21,15 5,69 22,79
Массообменный 0,12 0,34 0,15 0,37 0,16 0,39
критерий Нуссельта
Коэффициенты внешней 1,78 1,08 1,95 1,18 2,04 1,24
массоотдачи
Коэффициенты внутренней мас- 0,0014 0,0101 0,0014 0,0101 0,0014 0,0102
соотдачи
Коэффициенты массопередачи с 0,0007 0,0015 0,0007 0,0017 0,0008 0,0018
учетом продольного
перемешивания
Объемные коэффициенты 5,01 2,73 5,47 3,15 5,71 3,4
массопередачи
Общие числа единиц переноса 658 359 721 416 745 444
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
транспорта, которые показали, что использование модифицированных цеолитов в качестве загрузки позволяет увеличить степень очистки от нефтепродуктов до 99 % [7].
На основании всего изложенного, нами предлагается частичная реконструкция существующей технологической схемы, которая с конструктивной точки зрения представляется наиболее целесообразной. Предлагаемый фильтр с загрузкой из цеолита клиноптилолитового типа, модифицированного ТЭОС, необходимо установить после стадии флотации взамен существующих: фильтра с загрузкой из кварцевого песка, фильтра с загрузкой из активированного угля.
Такое решение позволит интенсифицировать процесс очистки сточных вод от высоких содержаний нефтепродуктов и взвешенных веществ и получить необходимую степень очистки сточных вод, что, в конечном итоге, полностью исключит платежи предприятия за превышение пределов установленных лимитов на сброс сточных вод и значительно улучшит показатели природоохранной деятельности локомотивного депо.
Следует особо отметить, что технологический процесс обезвреживания нефтесодержащих сточных вод является очень сложным и, кроме рассмотрения задач оптимизации очистки загрязненных потоков, требует рассмотрения технологических приемов, направленных на обезвреживание всех образующихся побочных продуктов и отходов.
По завершении процесса доочистки и стадий регенерации холостой (отмытый) адсорбент - цеолит может быть утилизирован в технологиях производства дорожных покрытий с учетом специфических свойств реагентов - модификаторов или в качестве добавки в битумные теплоизоляционные массы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Аренс В. Ж, Гридин О. М, Яншин А. Л. Нефтяные загрязнения: как решить проблему // Экология и охрана окружающей среды. Темат. подборка НОП 5 (175) ТП-40. 2002. Вып. 7. С. 28-31.
2. Алферова Л. А. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов М. : Стройиздат, 1984. 272 с.
3. Вознесенский В. Н., Лядов В. В., Кулишев А. В. Локальные очистные сооружения с нефтеулав-ливающими устройствами // Экология и охрана окружающей среды. Темат. подборка НОП 5 (175). ТП-40. 2002. Вып. 7. С. 33-35.
4. Железнодорожный транспорт, серия Экология и железнодорожный транспорт // Экспресс информация // М. : ЦНИИТЭИ. 2001. №1. С. 1-11.
5. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии : учеб. для вузов : в 2-х кн. Ч. 2. : Массообменные процессы и аппараты. М. : Химия, 1995. 368 с.
6. Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии : в 2-х кн. М. : Химия, 1981. 812 с.
7. Обуздина М. В., Руш Е. А. Методы интенсификации процессов очистки нефтесодержащих сточных вод предприятий железнодорожного транспорта // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы второй межвуз. науч.-практ. конф., Иркутск, 16-18 мая 2011г. Иркутск, 2011. Т. 1. С. 106-111
